论文部分内容阅读
定风量空调系统（Constant Air Volume Air Conditioning System,CAVACS）和变风量空调系统（Variable Air Volume Air Conditioning System,VAVACS）是中央空调系统中全空气调节方式的两种主要应用型式。在大型公共建筑中,由于空调设备的初始投资相对较少、运行管理简单、易于维护、送风参数稳定等优点,CAVACS的应用比VAVACS更广泛。此外,随着社会的快速发展和人们对室内舒适度（Indoor Comfort Degree,ICD）需求的提升,不但要求CAVACS的送风温度（Supply Air Temperature,SAT）稳定,满足ICD要求,而且要节能运行。然而,目前CAVACS送风温度的调节方式还是以传统控制方式为主,如使用送风温度PID控制器,对流经定风量空调机组（Constant Air Volume Air Handling Unit,CAVAHU）的空调冷、热水流量进行调节。该PID单回路控制方式简单,并且送风温度PID控制器参数的整定是离线进行的,不能适应CAVAHU时滞、非线性和结构参数时变等特性,往往导致SAT的调节存在较大的稳态误差、较大的超调量和较长的调节时间等问题。考虑到上述问题和进一步完善SAT控制策略的需要,综合CAVAHU的空调工艺要求、内模控制器原理和PID控制技术,本文提出了送风温度二自由度内模PID控制系统（Two-Degree-of-Freedom Internal Model PID Control System for Supply Air Temperature,SAT-TDFIMPIDCS）的研究目标。对于送风温度二自由度内模PID控制器（Two-Degree-of-Freedom Internal Model PID Controller for Supply Air Temperature,SAT-TDFIMPIDC）参数整定的问题,设计了改进多目标粒子群优化算法（Improved Multi-Objective Particle Swarm Optimization Algorithm,IMOPSOA）,获取相应参数的最佳值。借助MATLAB/Simulink软件,对该SAT-TDFIMPIDCS进行组态与数值模拟。结果验证了本文所提出的送风温度二自由度内模PID控制策略和IMOPSOA的可行性。本文的主要研究任务与内容如下:1.首先基于标准PSOA,保持其它参数恒定,通过对压缩因子进行指数递减变化,构建了改进单目标粒子群优化算法（Improved Single Objective Particle Swarm Optimization Algorithm,ISOPSOA）的结构模型和运算流程。其次,基于典型多目标粒子群优化算法（Multi-Objective Particle Swarm Optimization Algorithm,MOPSOA）,通过加入计算粒子间的角度选择全局引导者的策略,设计了IMOPSOA。分别将ISOPSOA和IMOPSOA作用于经典函数Rastrigin、Rosenbrock和ZDT1、ZDT2和DTLZ2进行验证,结果表明这两个改进PSOA是可行的,相比标准PSOA和典型MOPSOA,在收敛性和多样性均有所提升。2.考虑CAVAHU的空调工艺要求及其送风温度对象动态特性,综合内模控制器原理、二自由度控制方法和PID控制技术,设计SAT-TDFIMPIDCS。分别对CAVAHU中的冷、热盘管、送风温度测量变送器、冷、热水流量调节阀和SAT-TDFIMPIDC进行建模。并且根据空调房间的热适应模型,连续输出送风温度设定值(TSA,SET)给SAT-TDFIMPIDC,形成送风温度的随动控制。3.考虑调节时间ts、稳态误差的绝对值ESS和时间乘误差绝对值的积分指标ITAE（Integral of Time Weighted Absolute Error）,将min ITAE作为ISOPSOA的单目标适应度函数,min(ITAE,ts,ESS)作为IMOPSOA的多目标适应度函数,运行ISOPSOA和IMOPSOA,分别得出整定液位控制单元中的水箱液位二自由度内模PID控制器参数的最佳值。通过水箱液位二自由度内模PID控制的数值仿真和实验,验证这两个改进PSOA整定二自由度内模PID控制器参数的可行性。4.借助MATLAB/Simulink工具,对该SAT-TDFIMPIDCS进行组态。在空调冬、夏季工况下,分别使用ISOPSOA和IMOPSOA数值模拟SAT-TDFIMPIDCS的控制效果和输出SAT-TDFIMPIDC参数的单目标最优解和Pareto最优解。结果表明,送风温度的超调量小、响应快、调节时间较短和稳态误差为零,且抗干扰力强。5.对于相同的CAVAHU送风温度对象和空调工艺指标,分别进行了送风温度单回路分数阶PID和送风温度单回路PID方式的数值仿真。通过结果的分析,可知本文提出的送风温度二自由度内模PID控制方式在控制指标上明显占优。